Cod Proiect: PN-IV-P7-7.1-PED-2024-1420

Numar contract: 89PED/2025

Titlu proiect: “Evaluarea performanței unui concept de turbină eoliană asimetrică echilibrată cinematic”

Acronim: WIND

Domeniu de specializare: Climă, energie și mobilitate (ASC); Energie și mobilitate (DSIN); Tranziția sectorului energie către neutralitate și reziliență climatică.

Autoritatea Contractanta: Unitatea Executiva pentru Finantarea Invatamantului Superior, a Cercetarii, Dezvoltarii si Inovarii

Durata proiect: 24 luni (05/05/2025 – 04/05/2027)

Consortiu:

CO: Institutul National de Cercetare-Dezvoltare Turbomotoare – COMOTI

P1: PIEME IMPEX SRL

Buget Proiect:

Buget total: 820.662,00 lei

Buget de stat: 746.162,00 lei

Cofinantare: 74.500,00 lei

Director Proiect (CO): Dr. Ing. Ion MĂLĂEL

Responsabil proiect (P1): Ing. Ștefan BREBAN

Având în vedere actuala criză energetică, investițiile în energie regenerabilă devin mai viabile pentru o parte substanțială a populației. Datorită capacității lor de a răspunde la dispersia neuniformă a vântului, turbinele eoliene cu ax vertical sunt ușor încorporate în zonele rezidențiale. Proiectul oferă o abordare inovatoare a turbinelor eoliene cu ax vertical, care va duce la creșterea eficienței atât la vitezele de pornire, cât și la cele nominale. Această optimizare se bazează pe aranjamentul palelor drepte cu corzi diferite la raze diferite, rezultând un efect mai mic de la o pală la următoarea pală. Ca urmare, vartejurile eliberate de la pala din fata nu au niciun efect asupra urmatoarei pale, iar curgerea se dezvoltă la orientarea sa ideală. Pentru a valida acest concept, vor fi create patru modele experimentale pentru testarea in tunelul aerodinamic, precum și o evaluare a zgomotului produs de noul concept. Diseminarea va avea loc prin lucrări academice publicate în reviste, precum şi prin participarea la conferinţe şi ateliere tematice.

Scopul principal al acestei propuneri de proiect este de a evalua experimental o nouă turbină eoliană cu ax vertical, bazată pe cercetări fundamentale anterioare. Rezultatele proiectului vor fi utilizate pentru a transmite know-how-ul către un partener industrial, care va folosi această expertiză pentru a construi și comercializa un produs de energie regenerabilă competitiv. Tehnica sugerată este semnificativă pentru decarbonizarea sectorului energetic și integrarea sistemelor de energie regenerabilă în zonele locuite.

Obiectivele tehnice specifice sunt:

  • Definirea configurațiilor turbinelor eoliene;
  • Crearea de modele experimentale utilizând infrastructura de cercetare și dezvoltare a partenerilor consorțiului;
  • Dezvoltarea de proceduri de testare în tunelul aerodinamic și camera anecoica;
  • Determinarea evoluției eficienței pentru viteze unghiulare variabile și viteze ale vântului;
  • Creșterea vizibilității organizațiilor de cercetare din România prin diseminarea rezultatelor proiectului în reviste de specialitate (categoria Q1).

Fiecare dintre obiectivele tehnice individuale enumerate mai sus este crucial pentru finalizarea proiectului, deoarece reprezintă o fază cheie necesară pentru validarea solutiei propuse. Proiectul este viabil, având în vedere experiența consorțiului in domeniul turbinele eoliene și infrastructura tuturor organizațiilor implicate, precum și cererea de tehnologii inovatoare în domeniul energiei regenerabile. Aceasta din urmă va facilita transformarea demonstratorului verificat într-un sistem funcțional ulterior.

Rezultate preliminare
Acest proiect are un nivel inițial de maturitate tehnică de 2. Un studiu științific care argumentează această observație a fost publicat în revista Sustainability (ISSN 2071-1050). În acest articol, ideea sugerată de turbină eoliană cu ax vertical este investigată numeric folosind tehnici CFD. Rezultatele acestei lucrări demonstrează avantajul noii geometrii în ceea ce privește eficiența, comparând-o cu un exemplu clasic de turbină eoliană H-Darrieus. Îmbunătățirea eficienței a fost de 10%. În plus, studiul coeficientului de cuplu la rapoarte mici de viteză la vârf a arătat că comportamentul la autopornire s-a îmbunătățit.
În plus, o cerere de brevet a fost depusă la Oficiul de Stat pentru Invenții și Mărci din România în 2019, iar în acest an, 2024, brevetul a fost acordat. Revendicarea principală a acestui brevet se bazează pe un model de turbină eoliană cu ax vertical echilibrat cinematic, constând dintr-un turn de susținere cu un generator electric în partea superioară conectat la arborele unui rotor de care sunt fixate brațe de susținere, cu pale la capete. Această turbină se distinge prin faptul că brațele de susținere au raze variabile și sunt echipate cu pale profilate aerodinamic cu lungimi variabile ale coardei. Pentru a demonstra că proiectul va atinge nivelul de pregătire tehnologică 4 după implementare, vor fi construite patru modele de testare folosind tehnologii de ultimă generație. Palele turbinei eoliene vor fi fabricate din materiale compozite folosind tehnologia de infuzie a rășinii. Evaluarea experimentală și validarea conceptului sugerat vor fi finalizate în două etape. Prima va include evaluarea eficienței aerodinamice în tunelul aerodinamic, în timp ce a doua se va concentra pe evaluarea zgomotului în camera anecoică.
Pentru a înțelege complet structurile de curgere care înconjoară un model de turbină eoliană, au fost efectuate simulări numerice folosind software CFD. Configurația sugerată a turbinei eoliene a fost examinată numeric pentru a vedea dacă aceasta îmbunătățește comportamentul inițial al turbinelor eoliane de tip VAWT, având în același timp o eficiență mai mare decât o configurație convențională datorită interacțiunilor mai mici dintre pale. Pentru proiectarea caracteristicilor geometrice, s-au efectuat cercetări privind creșterea dimensiunii stratului limită al profilului aerodinamic la diferite unghiuri de atac.
Pentru investigația numerică, condițiile limită (BC) pentru pale și arbore sunt definite ca pereți, o interfață este definită între subdomeniile rotorului și statorului, subdomeniul statorului este definit ca staționar, iar subdomeniul rotorului este definit folosind mișcarea de rotatie, furnizând viteza unghiulară specifică raportului de viteză la vârf al cazului analizat. Viteza curentului a fost setată la 12 m/s, iar direcția de curgere a fost setată pe axa X, așa cum se arată în Fig. 1. Fig. 1 prezintă o reprezentare schematică a domeniului de calcul care include toate condițiile la limită descrise anterior.


Fig. 1. Domeniul de calcul si conditiile la limita impuse

Creșterea coeficientului de cuplu pentru turbina eoliană asimetrică sugerează un comportament îmbunătățit la pornire, deoarece un coeficient de cuplu mai mare la rapoarte de viteză inițială mai mici este legat de o accelerație mai mare, ceea ce ajută la procesul de pornire. Figura de mai jos prezintă coeficientul de cuplu pentru fiecare paletă în funcție de unghiul de azimut pentru fiecare configurație investigată.


Pentru o vizualizare mai bună a fluxului, rezultatele vorticității pentru geometriile clasice și sugerate sunt prezentate în perechi pentru fiecare poziție a palei. Interacțiunea dintre pale este dificil de identificat la rapoarte de viteză la vârf mici, cum ar fi 0,5, la pornire. În plus, câmpul de vorticitate este mai proeminent în structura asimetrică, ceea ce are ca rezultat un coeficient de cuplu mai mare. Fig. 3 (stânga: aranjament tradițional, dreapta: configurație asimetrică) prezintă contururile vorticității la un raport de viteză la vârf de 2.


Interacțiunea dintre pale devine mai vizibilă la rapoarte mari de viteză la vârf. În modelul de bază, vârtejurile de la o pala se disipează pe marginea posterioară a palei următoare, acționând ca o frână aerodinamică și împiedicând turbina eoliană să accelereze în continuare. În aceleași circumstanțe și amplasarea palei, abordarea sugerată reduce semnificativ contactul dintre pale, rezultând o eficiență crescută (Fig. 4). Ideea sugerată are coeficienți de putere cu până la 10% mai mari decât valorile de bază. În plus, la rapoarte mici de viteză la vârf, cum ar fi 0,5, noua geometrie sugerată a înregistrat coeficienți de cuplu mai mari decât valorile de bază, indicând un comportament îmbunătățit la pornire, așa cum se concluzionează în stadiul actual al tehnicii. Rezultatele numerice sunt pozitive; prin urmare, este justificată necesitatea validării experimentale și a executării proiectului pentru a atinge TRL 4.